飞秒激光在精密光子学制造中的应用

精密光子制造中为什么要使用飞秒激光？

飞秒激光器发射持续时间低于一皮秒的超短光脉冲，达到飞秒级（1 fs = 10^-15s）。飞秒激光的特点是脉冲宽度极短，峰值强度高。

超短脉冲串可最大限度地减少残余热量，确保材料的精确加工，同时将附带损伤降到最低。其峰值强度高，可诱发多光子电离和等离子体形成等非线性光学相互作用，为各种应用提供精确的激光能量空间控制。

飞秒激光的非线性约束效应可实现纳米级分辨率，其特征小于光的衍射极限。这些激光器用途广泛，可用于各种材料，包括金属、半导体、陶瓷、聚合物和复合材料，无需掩膜或光刻胶。飞秒激光在透明材料中的聚焦能力还有助于创建复杂的三维（3D）结构，这对制造集成光子芯片至关重要。

总之，飞秒激光是精密微加工和光子制造的理想选择。

精密光子制造中的主要应用如下：

1.光子晶体的光刻

要在近红外和可见光范围内有效控制光子晶体中的光，对单元结构和间隙进行纳米级的精确控制至关重要。飞秒激光器可直接在透明材料中制造三维微纳结构，利用其超短脉冲持续时间实现超高精度，在制造这些结构方面表现出色。

发表在《光： 科学与应用》上发表的一项研究证明了这一点，该研究介绍了一种利用纳米级飞秒激光多光束光刻技术制造光子晶体结构的方法。研究人员将可控多光束光场聚焦于晶体内部，并将其与化学蚀刻相结合。这种方法可以精确控制亚波长尺寸的结构单元和间隙，克服了单光束加工的局限性。

所提出的方法既经济又简单，可在晶体内实现三维光子晶体结构，有望应用于光通信和光操纵领域。

2.简化周期性纳米结构制造

随着材料科学和纳米制造技术的进步，人们开始探索用于先进光子学应用的周期性纳米结构表面，如等离子体和介电元表面。传统上，这些周期性表面结构（PSS）的加工采用光刻方法，既复杂又耗时。

然而，聚焦飞秒激光器提供了一种适用于各种材料的一步到位、无需掩模且高效的替代方法。这样就可以通过激光诱导 PSS（LIPSS）制造出比激光波长更小的特征。

最近的研究，尤其是对铌酸锂等宽带隙透明晶体的研究，展示了飞秒激光在通过受控加热策略制造具有增强光吸收的大面积 LIPSS 方面的潜力。这为铌酸锂以外的电介质晶体的精密制造提供了一条前景广阔的途径。